ГДЗ: Параграф § 22 / Биология 11 класс

Основные отличия первых ядерных клеток (эукариот) от пробионтов (прокариот) заключались в следующем:

• Наличие ядра: Эукариоты имеют оформленное ядро с генетическим материалом (ДНК), тогда как у прокариот генетический материал находится в цитоплазме (нуклеоид).
• Мембранные органоиды: Эукариоты обладают развитой системой внутриклеточных мембранных органоидов (ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы и др.), а также митохондриями и хлоропластами, которых нет у прокариот.
• Генетический аппарат: У эукариот ДНК более стабильна, представлена в виде парных хромосом, и может копироваться с большей точностью.
• Метаболизм: У многих эукариот развилось аэробное дыхание, которое энергетически в 19 раз эффективнее брожения, характерного для первых пробионтов.

Ароморфозы сыграли ключевую роль в развитии метаболизма:

• Появление фотосинтеза: Крупнейший ароморфоз, связанный с появлением автотрофного питания. Сначала это был аноксигенный фотосинтез (использовался сероводород), а затем оксигенный (использовалась вода с выделением кислорода), что кардинально изменило состав атмосферы.
• Появление хемосинтеза: Развитие автотрофного питания с использованием химической энергии (например, у нитрифицирующих и железобактерий).
• Переход к аэробному дыханию: Появление организмов, способных использовать кислород, сделало метаболизм (дыхание) в 19 раз более эффективным по сравнению с анаэробным брожением. Это стало возможным благодаря накоплению кислорода в атмосфере.

Возникновение фотосинтеза само по себе является крупнейшим ароморфозом, однако предпосылками для него стали следующие изменения, которые можно рассматривать как подготовительные ароморфозы:

• Формирование оболочки (мембраны): Отделение пробионтов от окружающей среды и создание условий для избирательного накопления веществ.
• Развитие ферментативных систем: Появление внутриклеточных ферментативных реакций обмена веществ, позволяющих использовать энергию и строительный материал для более сложных синтетических процессов, таких как фотосинтез.
• Переход от РНК к ДНК: Улучшение наследственного аппарата, что позволило надежно хранить информацию о более сложном метаболизме, включая механизмы фотосинтеза.

Существует две основные гипотезы происхождения эукариот:

• Аутогенная гипотеза: Предполагает, что эукариотная клетка возникла из прокариотной путем впячивания ее плазмалеммы и образования внутриклеточных мембранных органоидов (ЭПС, аппарат Гольджи и др.).
• Гипотеза симбиогенеза (Эндосимбиотическая теория) Линн Маргулис: Предполагает, что эукариотная клетка возникла в результате симбиоза: анаэробные пробионты вступили в симбиоз с аэробными бактериями (стали митохондриями) и, в случае растительных клеток, с фотосинтезирующими цианобактериями (стали хлоропластами).

Более обоснованной считается гипотеза симбиогенеза. В ее пользу свидетельствует наличие у митохондрий и хлоропластов:

• Собственной кольцевой ДНК и РНК, сходных с прокариотными.
• Рибосом, сходных с бактериальными.
• Способности к полуавтономному существованию и размножению внутри клетки.
• Двойной мембраны.

Наиболее четкая грань проходит между прокариотами (безъядерными) и эукариотами (ядерными) потому, что эти группы отличаются фундаментальными уровнями клеточной организации, тогда как растения и животные являются лишь разными ветвями эукариотической организации:

• Клеточная структура: У прокариот нет ядра, митохондрий, хлоропластов и большинства других мембранных органоидов. Эукариоты (включая растения и животных) имеют их все (кроме хлоропластов у животных).
• Метаболизм: Эукариоты способны к высокоэффективному аэробному дыханию (благодаря митохондриям). Прокариоты, как первые организмы, были преимущественно анаэробами (брожение).
• Генетический аппарат: У прокариот простая кольцевая ДНК, у эукариот – сложный, более стабильный линейный генетический аппарат, заключенный в ядро.

Различия между растениями и животными (которые оба являются эукариотами) не столь кардинальны: они касаются лишь типов питания (фотосинтез или гетеротрофное питание), наличия или отсутствия клеточной стенки и специфического набора органоидов (хлоропласты, вакуоли).

Основными чертами, отличавшими первые живые клетки от пробионтов, были:

• Наличие оформленной мембраны: Эта оболочка, состоящая из фосфолипидов и белков, обеспечила избирательное накопление веществ и защиту от внешней среды.
• Внутриклеточные ферментативные системы: Позволили осуществлять обмен веществ более эффективно и контролируемо внутри клетки.
• Более совершенный генетический аппарат: Появление молекул ДНК, которые более стабильны и обеспечивают более точное копирование наследственной информации, по сравнению с РНК у пробионтов.

Основные ароморфозы в эволюции метаболизма:

• Появление автотрофного питания (хемосинтез и фотосинтез): Переход от питания готовыми органическими веществами (гетеротрофия) к самостоятельному синтезу.
• Возникновение оксигенного фотосинтеза: Появление цианобактерий, использующих воду и выделяющих кислород, что привело к изменению атмосферы Земли.
• Появление аэробного дыхания: Переход к более эффективному метаболизму с использованием кислорода, который в 19 раз энергетически выгоднее брожения.

Возникновение фотосинтеза имело огромное значение:

• Накопление органических веществ: Обеспечение всех последующих форм жизни (включая гетеротрофов) необходимыми органическими веществами.
• Кислородная революция: Насыщение атмосферы Земли кислородом, что привело к возникновению аэробного дыхания, более эффективного метаболизма.
• Формирование озонового экрана: Образование слоя озона, который защитил поверхность Земли от губительного ультрафиолетового излучения, что позволило жизни выйти из воды на сушу.

Крупные ароморфозы в эволюции одноклеточных организмов:

• Формирование клетки с мембраной и внутренним ферментативным аппаратом.
• Возникновение автотрофии (хемосинтеза, фотосинтеза).
• Появление оксигенного фотосинтеза и накопление кислорода в атмосфере.
• Переход к аэробному дыханию.
• Возникновение эукариотной клетки (с ядром, митохондриями, хлоропластами и другими мембранными органоидами).

Гипотезы:

• Аутогенная: Образование мембранных органоидов путем впячивания плазмалеммы прокариота.
• Симбиогенеза: Появление митохондрий и хлоропластов в результате поглощения прокариота-предка аэробной бактерии и цианобактерии соответственно.

Обоснованность: Симбиогенез более обоснован, так как подтверждается наличием у митохондрий и хлоропластов собственной кольцевой ДНК, рибосом и двойной мембраны, что указывает на их бактериальное происхождение.

Граница проходит между прокариотами и эукариотами, поскольку эти группы отличаются фундаментальным уровнем организации клетки: наличием или отсутствием ядра, мембранных органоидов (митохондрий, хлоропластов) и типом генетического аппарата. Растения и животные, хотя и имеют существенные отличия (например, в типе питания), оба относятся к эукариотам, разделяя общие принципы клеточной организации.